JP2013082061A - スロット状ノズルを持つ研削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速研削装置を提供する。
【解決手段】周囲研削面を持つ研削ホイールと、研削ホイールを軸線を中心として取り付け且つ回転するための機械装置と、クーラント流体を研削面に正割をなして差し向けるように形成されたスロット状ノズルを含むクーラント供給システムとを含む高速研削装置を提供する。スロット状ノズルの出口は、細長い軸線及び短い軸線を有し、細長い軸線は研削ホイールの軸線に対して傾斜している。
【選択図】図３

Description

本発明は、研削を行うための方法及び装置に関する。

本発明は、研削を行うための改良された方法及び装置を提供しようとするものである。研削装置は、米国特許第６，１２３，６０６号に記載されている。

米国特許第６，１２３，６０６号

本発明の目的は、

本発明の第１の態様によれば、高速研削装置において、周囲研削面を持つ、アクスル上の研削ホイールと、研削ホイールをアクスルを中心として取り付け且つ回転するための機械装置と、クーラント流体を研削面に正割をなして（例えば、交差するように）差し向けるように構成されたスロット状ノズルを備えたクーラント供給システムとを含み、スロット状ノズルは、細長い軸線(elongate axis)及び短い軸線(short axis)を持つ出口を有し、細長い軸線は、研削ホイールを通る弦と平行であり、研削ホイールの軸線に対して傾斜している、高速研削装置が提供される。

スロット状ノズルの出口を傾斜することによって、研削面に対する流れ分布が改良される。
好ましくは、細長い軸線は、研削ホイールの軸線に対して５°乃至２０°傾斜している。

スロット状ノズルの細長い軸線に沿った長さは、周囲研削面の幅よりも長くてもよい。
長さを延長することにより、研削面の縁部に亘ってクーラント流を提供し、研削ホイールの冷却を更に改善する。好ましくは、細長い軸線の長さは、周囲研削面の幅よりも５％以上長い。

研削ホイールを取り付け且つ回転するための機械装置は、ホイールを１０ｍ／ｓ乃至約８０ｍ／ｓの周速で回転できてもよい。
クーラント供給システムは、ノズルから液体のジェットを４０００ｋＰａ乃至７０００ｋＰａ（４０バール乃至７０バール）の圧力で送出してもよい。

好ましくは、装置は、更に、研削ホイールの側部と整合するための第１縁部、研削面と整合するための第２縁部、及びノズルの縁部と整合するための第３縁部を持つ整合工具を含む。

工具は、シート状の金属から形成されていてもよい。
次に、本発明を添付図面を参照して単なる例として説明する。

図１は、本発明を例示する概略図である。 図２は、図１のシステムで使用するためのノズルを示す図である。 図３は、研削ホイールに向いた図２のノズルを示す概略図である。 図４は、ノズル、整合工具、及び研削ホイールを示す概略図である。 図５は、ノズル、別の整合工具、及び研削ホイールを示す概略図である。 図６は、クーラント流体をノズルに供給するための供給パイプの概略図である。

本発明を組み込んだ研削プロセスの原理を例示する目的のため、図１は、矢印４の方向に回転する研削ホイール２を含む、研削装置（研削セットアップ）を示す。研削ホイールの回転中、加工物（ワークピース）６をホイールを通して矢印８の相対的方向に供給する。例示の例では、これにより、全体に参照番号９を付した接触領域で、当該技術分野において「ダウン」研削として公知の作業を行う。本発明は、「アップ」研削でも同様に加工できることがわかっている。本質的には、本発明のプロセスは、クリープフィード研削として公知のプロセスの一つの発展形態であるが、これは、加工物材料が非常に急速に除去されるという優れた結果が得られるため、幾分不適切な名称であると考えられている。

研削ホイール２は、標準的な多軸工作機の部分である工具ヘッド即ちチャック１２によって支持された回転スピンドル１０に取り付けられている。加工物６は、取り付けジグ１４によって表面取り付けテーブル１６上に保持されている。この実施例では、「１−パス」研削プロセスが示してあるため、研削ホイールの幅は、必要な研削面の対応する幅によって決定できる。表面速度が一定に維持されるとして、１０ｍｍ乃至４５ｍｍの範囲の幅の研削ホイールを使用する場合に結果に大きな変化がないということがわかっている。他方、幅の限度の表示はなく、本発明は、他の点についてはさておき、研削ホイールの幅に関わらず有用であることが期待されるということがわかっている。

使用された研削ホイールの種類についての表面速度の値の範囲は、約１０ｍ／ｓ乃至約８０ｍ／ｓである。表面速度が全ての他のパラメータと適合している場合、様々な直径のホイールが一貫した結果をもたらす。これまで使用されてきた研削ホイールの最大直径は約２２０ｍｍであるが、この上限は、ホイール構造の固有の安定性によってではなく、機械装置の作動領域における物理的隙間によって決まる。明らかに、研削ホイールは、その組成及び構造で、最大回転速度、達成可能な切削深さ等（ここでは二つを挙げたがこれら二つだけではない）に関して限度がある。しかし、この例では、これらはプロセスの作動パラメータを減らしたり（あるいは省略）しない。かくして、機械装置が大きさに関して許容され、例えば最大４００ｍｍ又はそれ以上で、速度が比較的高いものが得られることが期待される。

水溶性オイルを含む液体クーラントのジェット１８を、ノズル手段２０を通してホイール２の周囲の照準点１９に差し向ける。ノズル２０は、閉ループクーラント送出−収集−濾過システムの出口である。ホイールからの使用済クーラントは機械装置の下部のサンプ（タンク）２２に集められ、効率的に濾過する濾過システム２４を通して引き出され（あるいは、抜かれ）、粒径が代表的には少なくとも約１０μｍまでのくず（デブリ）を除去することができる。

非常に高圧のポンプシステム２６が濾過システム２４と一体に設けられている。ポンプシステム２６は、圧力が加わったクーラント（冷却剤又は冷却液）を出口２８を通して送出ノズル２０に送出する。例示の実施例では、クーラントは、出口２８を介して、最大１００００ｋＰａ（１００バール）の圧力で、代表的には、４０００ｋＰａ乃至７０００ｋＰａ（４０バール乃至７０バール）の圧力で送出され、流量は最大約１３０リットル／分である。

ノズル２０は、クーラントの非常に高圧のジェット１８をホイールに加工物６の切削領域の前方約４５°の点に送出するため、ホイール２の周囲と近接して位置決めされている。ノズルはスロット状ノズル２０であり、クーラント流体のジェット１８をホイールの周囲に、ホイールの全幅に亘る衝突点に差し向けるように形成されており且つ構成されている。実施例では、ノズル２０はほぼ矩形のジェットオリフィスを有する。ジェットオリフィスの長さはホイール２の幅とほぼ等しいが、好ましくはこれよりも僅かに長く、ジェットオリフィスの深さは０．５ｍｍ乃至１ｍｍである。従って、このオリフィスは、シート状又は扇状のクーラントのジェット１８をホイールの周囲に差し向ける（すなわち、シート状又は扇状のクーラント１８をホイールの周囲に噴出する）。

更に、図１では、ホイールのスピンドル１０を中心とした一対の半径３０、３２が（破線で）示してある。第１半径３０は、ホイール２の周囲のジェット１８の衝突領域を通して引いてあるのに対し、第２半径３２は、ホイール２と加工物６との間の接点を通して引いてある。これらの二つの半径３０、３２の夾角が、ジェット１８の衝突点の周囲位置を決定する。ホイール直径が約８０ｍｍであり、ホイールの直径の範囲の最小部分に属する本実施例の例示から、この夾角は約４５°であり、ジェット１８は研削ホイール接触点の前方にあるということは明らかであろう。他のきょう角を採用してもよい。

ノズルの更に詳細な図が図２に示してある。図示されているように、ノズル本体は、入口部分４０と、テーパ部分４２と、ノズル出口４６の前の流れ形成部分４４とを含む。ノズル出口４６は、ノズルからの一貫した層流を提供し、クーラント流中の空気の量を減少するのを補助し、基材が損傷する場合には、研削点のところでの変色や酸化を減少できる。図２は、斜視図（図２ａ）、平面図（図２ｂ）、及び側面図（図２ｃ）を示す。変形例では、入口部分には、冷却流体をノズルに供給する配管にノズルを連結するためのナット又は他の連結特徴が設けられている。

ノズルは、細長いノズル形状を形成するため、注文製作のジョー及び穴形成器(jaw and aperture former)上で製造されたステンレス鋼製のパイプから形成されてもよい。
図３は、研削ホイール２に対するノズル２０の好ましい整合を示す。ノズル２０は、クーラント流体のジェット１８がホイールの真の半径に対して傾斜した所定角度から研削面に当たるように、クーラント流体をジェット１８としてホイールに対して、正割をなして（例えば、ホイールの曲線と交わるように）差し向ける。最も極端な場合には、ジェットはホイールに対して接線方向に差し向けられるが、通常は、ノズルの角度は、接線から５°乃至２０°である。「正割をなして(secantly)」という用語は、流体が接線方向に差し向けられる構成を含む。

図３ｂに示すように、周面（円周面を含む）である研削面にクーラントを供給するため、ノズルは、研削ホイールに向けられている。周面に対するノズルの配向（位置決め）が重要であるということがわかっている。周面に対する正割角度ばかりでなく、ノズルの細長い軸線の研削ホイールの軸線に対する角度もまた重要である。ノズルの細長い軸線を研削ホイールの軸線に対して５°乃至１５°、好ましくは約１０°の角度に配置することによって、改良冷却分配が得られる。

特に広幅の研削面を使用する場合、一つ以上の細長いクーラントノズルを使用する必要がある。これらのノズルは、互いに対し、また、研削ホイールの軸線に対して、様々な角度をとってもよい。これらのノズルは、互いに重なり合って、研削面の特定の領域に余分のクーラントを提供してもよい。一つ又はそれ以上のノズルが、研削ホイールの軸線と平行であってもよい。

ノズル２０ａ、２０ｂのチップ（出口オリフィス）は、使用中、好ましくは、研削ホイール２の周面と非常に近接して位置決めされる。ノズルの簡単な整合を補助するため、図４に示すように工具を使用してもよい。工具１０２は、研削ホイールの側部と整合する第１基準面１０４と、研削ホイールの研削面と整合する第２基準面１０６と、ノズルの端部の軸線方向位置を研削面に対して定めて、確実に重なるようにする第３基準面１０７と、細長いノズルの角度を研削ホイールの軸線に対して整合するための第４基準面１０８とを有する。工具は、容易に入手できるシート状の金属から形成されてもよく、これにより、複雑で費用がかかるセットアッププロセスを簡単に且つ手際よく行うことができる。

別の整合工具の一例を図５に示す。この整合工具は、研削ホイールの縁部に対する正しい正割位置（secantial position）又は接線方向位置にノズルを配置するのに使用される。工具は、ノズル２０と研削ホイール２の縁部との間の距離に亘って延びるのに十分な長さを持つ細長い部材１１０と、ノズルと係合するノッチ部分１１２とを有する。ノズルを整合するため、ノッチ部分をノズル及び細長い部材と係合した状態に置いた後、ホイールの軸線又は流体をノズルに供給する配管への入口を、細長い部材が研削ホイールに対して所望の正割角度（secantal angle）又は接線方向角度にくるまで移動する。

図６は、冷却流体をノズルに供給するのに使用される配管の選択肢についての平面図（図６ａ）及び側面図（６ｂ）を示す。配管は、好ましくは溶接によって互いに接合された三つの別々の区分で形成されている。これは、パイプの全長が大きく曲がることがないようにするため、また、曲げ部分のところでボアの大きさが変わらないようにするため、さらに、材料を弱くしないためである。流れの変動が最少になるように、屈曲部は、全て９０°よりも小さい角度に保持される。

２ 研削ホイール
６ 加工物
１０ 回転スピンドル
１２ 工具ヘッド即ちチャック
１４ 取り付けジグ
１６ 表面取り付けテーブル
１８ ジェット
１９ 照準点
２０ 送出ノズル
２２ サンプ（クーラントだめ）
２４ 濾過システム
２６ ポンプシステム
２８ 出口
３０ 第１半径
３２ 第２半径

Claims (8)

1. 高速研削装置において、
   周囲研削面を持つ、アクスル上の研削ホイール（２）と、
   前記研削ホイールが前記アクスル（１０）を中心として回転できるように取り付けられた機械装置と、
   クーラント流体を前記研削面に正割をなして差し向けるように構成されたスロット状ノズル（４６）を備えたクーラント供給システム（２６、２８）とを含み、
   前記スロット状ノズルは、細長い軸線及び短い軸線を持つ出口を有し、前記細長い軸線は、前記研削ホイールを通る弦と平行であり、前記研削ホイールの軸線に対して傾斜している、装置。
2. 請求項１に記載の装置において、
   前記細長い軸線は、前記研削ホイールの軸線に対して５°乃至２０°傾斜している、装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置において、
   前記スロット状ノズルの前記細長い軸線に沿った長さは、前記周囲研削面の幅よりも長い、装置。
4. 請求項３に記載の装置において、
   前記細長い軸線の前記長さは、前記周囲研削面の幅よりも５％以上長い、装置。
5. 請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の装置において、
   前記研削ホイールを取り付け且つ回転させるための前記機械装置は、前記ホイールを１０ｍ／ｓ乃至約８０ｍ／ｓの周速で回転する、装置。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の装置において、
   前記クーラント供給システムは、前記ノズルから液体のジェットを４０００ｋＰａ乃至７０００ｋＰａ（４０バール乃至７０バール）の圧力で送出する、装置。
7. 請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の装置において、更に、
   前記研削ホイールの側部と整合するための第１縁部、前記研削面と整合するための第２縁部、及び前記ノズルの縁部と整合するための第３縁部を持つ整合工具を含む、装置。
8. 請求項７に記載の装置において、
   前記工具は、シート状の金属から形成されている、装置。

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